基于EPLAN的核安全级DCS电气设计应用研究

姚映帆，彭 浩，胡彦亮，刘全东，杨 睿，冯诗漫，何 伟

（中国核动力研究设计院 核反应堆系统设计技术重点实验室，成都 610213）

0 引言

考虑到众多不可控因素对石化能源价格的影响，中国一直加大对水电、光伏、风电、核电为主的可再生能源或新能源的技术开发，以应对潜在的电力危机。核电站的电力系统设计取决于网络、电站的系统设计和工程设计，这对设计工具的专业化、智能化提出了更高的要求。CAD常常被作为传统的仪控电气设计软件使用，该软件设计方式复杂、智能化程度不高，难以满足项目需求。

EPLAN是一种专业电气制图软件，几乎具备了CAD的所有功能，并且在有些功能上更加智能化。相较于CAD，EPLAN的智能化特色更加显著，如自动编号、协同工作、错误检测、寻迹导航等功能，且支持不同的电气标准（如IEC、JIC、DIN等），并有标准的符号库，这些是CAD软件无法做到的。

1 CAD软件与EPLAN软件的对比

1.1 基于CAD软件的DCS电气设计

传统CAD主要是针对机械产品的设计而开发的，因此在电气设计的应用中存在一些具体问题。CAD中每页原理图都是单独存储，而每个项目的电气原理图数量较多，因

此占据的空间较大，不易于管理。其次，在电气设计中，同一个空气开关或继电器，其触点往往会出现在不同页的原理图中，因为CAD软件无法实现对同一触点的相互关联，所以在绘制原理图时容易造成触点或线圈的遗漏，触点的标注会产生错误或重复，造成元器件的选型和设计不一致。CAD中元器件的选型、材料清单、柜内元器件布置需要借助Excel或传统CAD手动完成，因此容易造成元器件漏放和尺寸错误。

1.2 基于EPLAN软件的DCS电气设计

EPLAN提供了标准模板，各种图表可以自动生成，如机柜物料汇总表、端子图表、设备连接图等。元器件的相关属性都详细反映在图表中，一旦在原理图、布置图中进行修改，只需刷新表格即可更新最新数据，不需要手动修改，提高了数据的准确性。其中，EPLAN软件自带2D安装板布局导航器可以解决元器件漏放问题。

元器件之间自动连线，设备自动编号，为绘制图纸节省时间。主设备与其相关元器件自动产生关联参考。例如，继电器线圈和触点，在线圈下显示触点的数量和页码，避免了相同触点的重复使用。快速选型功能也是EPLAN软件的特色功能，需要在部件库中填写元器件的相关数据，其中包括元器件的各类电气参数、外形尺寸、品牌等信息，后续可以根据项目需要去选型。EPLAN标准化程度高，依靠符号、图框、表格、部件库、文件编号、文件名称、设计阶段及各种规则设置，可实现对电气原理图的标准化设计。

1.3 CAD与EPLAN软件电气设计的对比

CAD与EPLAN软件电气设计的对比见表1[1]。

表1 CAD与EPLAN软件对比Table 1 Comparison between CAD and EPLAN software

2 基于EPLAN软件的核安全级DCS电气设计规范

2.1 子系统分配与常用符号定义

电气接线原理图的内容主要应包括：

1）机箱模块配置：描述机柜内机箱及模块正面和背面配置。

2）机柜供配电：描述从进线到终端所有用电设备的配电线路。

3）网络系统：包括机柜内和机柜间网络连接关系，柜内网络连接描述主控机箱和扩展机箱的通讯线路，柜间网络连接描述本机柜和其他机柜的通讯线路。

4）机柜监测系统：包括设备运行异常信号、温度异常信号、门开报警信号等。

5）I/O模块链路系统：描述从“模块→信号转接模块→接线端子（终端单元、端子等）”的链路，还包括接线端子的IO信号描述、接线端子的下级设备等信息。

通过定义常用符号，实现了图纸的统一化与标准化。常用符号的一种定义示例如图1。

图1 一种常用符号定义示例Fig.1 Example of a common symbol definition

2.2 工程的建立

机柜接线原理图采用统一的基于EPLAN软件开发的绘图模板进行绘制，机柜接线原理图页面的建立按照标准的工程结构进行[2]。具体步骤如下：

1）建立EPLAN绘图项目。在EPLAN工具栏选择“项目-新建”，填写项目名称，项目模板使用“IEC_tpl001.ept”，单击“确定”就建立了一个EPLAN绘图项目。因为EPLAN项目的设置较多，建议采用模板，在模板上对项目名称等进行修改。

2）高层代号为通道号，如“RTC-11”。

3）位置代号为机柜号，如“CCP001AR”。

4）用EPLAN绘图软件打开新建页面，依次填写“页名”（图纸编号）、“页描述”（页名）、“页类型”根据需要选择，一般为多线原理图。

5）文件信息如文件编号、文件名称、版本、设计阶段、状态等都填写在“页属性”相同名称的属性中。

图框已经在模板中设置好，在图纸中不能直接更改，如需要更改图框的内容则需要在工具栏“工具-主数据-图框”中修改。

接线原理图图框的基本信息如图2。

图2 接线原理图图框的基本信息Fig.2 Basic information of wiring schematic diagram frame

3 基于EPLAN的核安全级DCS电气机柜原理图设计

根据工程项目的特点，设计基于EPLAN的原理图结构[3,4]。对于电气机柜原理图，可划分为机箱模块配置图、机柜供电图、网络连接图等。

3.1 机箱模块配置图

安全级DCS机柜接线原理图机箱模块配置部分用以说明各机箱正面和背面的模块布置位置及其型号。需在图中标明各机箱的设备编码及名称，各槽的槽位号及对应的模块信号。此部分内容在IO分配清单中已经完成分配，接线原理图设计过程主要是将IO分配清单中分配的机箱模块配置转化为图纸。

单个机箱的模块配置正视图示例如图3。

图3 单个机箱配置正视图Fig.3 Front view of single chassis configuration

3.2 机柜供电图

安全级DCS机柜的电源由外部供给，220V交流电源经滤波器送至各个电源模块，完成电压转换后供给柜内各用电设备。安全级DCS机柜供电图的设计依据工程硬件需求说明书中的供电方案。机柜供电图通常包括电源柜和功能柜两种。电源柜需要根据下游各功能柜的负荷、供电线路分布情况配置对应的电源模块和空气开关，最后连接端子供下游设备使用。功能柜需要采集电源柜或外部系统送来的电源，通过空气开关、端子等设备送至本柜用电设备，如机箱、继电器、风扇等。

每个机柜中都应根据柜内设备的不同进行配电，除机箱外的其他柜内设备可根据功能的区别分类供电，减少空气开关的使用数量，节约柜内安装空间，如机柜监测相关的设备（如温度控制器、风扇等）可单独供电；隔离设备、硬逻辑设备可单独供电。同时，还应根据各项目工程硬件需求说明书的要求，为供电回路配置报警继电器。

3.3 网络连接图

网络连接图包括机柜内网络连接图和机柜间网络连接图。机柜内网络连接图指示了在机柜内设备之间的通信情况，包括主控机箱和扩展机箱、主控机箱与协议转换模块、光纤接线盒与柜内设备之间的通信电缆连接信息。机柜间网络连接图指示了机柜内设备同柜外部装置间的通信线缆连接信息。机柜内网络连接图的基本信息如图4。

图4 柜内网络连接图的基本信息Fig.4 Basic information of the network connection diagram in the cabinet

机柜间网络连接图主要为柜间通信的接线信息，包括网线、光纤、光缆等。本柜主控模块、通信模块与其他机柜主控模块、通信模块之间的网络电缆信息均在此部分体现。

3.4 机柜监测原理图

3.4.1 设备异常信号输入

安全级DCS机柜的设备异常信号通过硬接线输入CPU进行相关处理。异常信号包括：风扇盘故障报警、机柜温度异常报警、电源模块异常报警、机柜门开报警和部分IO模块（如模拟量调理模块）报警。常用的设备异常信号包括风扇盘故障报警信号、机柜温度异常报警信号、机柜门开报警信号。

各种报警信号接至本柜时的接线原理图画法，如图5、图6。

图5 风扇盘和温度传感器报警信号接线原理图示例Fig.5 Schematic diagram of fan panel and temperature sensor alarm signal wiring

图6 机柜门开和调理模块报警信号接线原理图示例Fig.6 Schematic diagram of alarm signal wiring of cabinet door opening and conditioning module

3.4.2 设备报警输出指示

在安全级DCS机柜上安装有设备状态指示灯，用以直观地指示目前设备是正常状态还是故障状态。该指示灯为红黄双色指示灯，红色表示设备正常运行，黄色表示设备故障。指示灯的含义和控制逻辑等依据项目工程硬件需求说明书执行。

3.5 IO模块接线原理图

3.5.1 应包含的内容和设计依据

安全级DCS机柜接线原理图输入输出信号部分的设计依据为详细设计文件《IO分配清单》。在表中包含了信号的名称、描述、来源/去向、类型、供电方式、站号、机柜号、模块的型号、所在槽号及终端号等信息。参考IO分配清单时，应结合机箱号和槽位号按照编码规则进行编制。

安全级DCS机柜中的所有硬接线点都应在机柜接线原理图中列出，并准确清晰地指明信号的以下信息：

1）信号的来源或者去向。如果是来自（去往）其他DCS系统的信号，须注明该信号在其他DCS系统的机柜编号和所对应的机柜接线原理图页码。

2）信号的接线位置。硬接线信号都是通过接线端子接入DCS系统，其中终端单元与信号转接模块通过预制电缆连接，终端单元直接通过DSUB接口与信号转接模块，需在机柜接线原理图中注明终端单元端口号、信号接入终端单元的通道号。

3）信号的模块位置。终端单元都是通过预制电缆输入（输出）DCS，需在机柜接线原理图中标明信号所在终端单元编号、信号转接模块编号、IO模块编号和预制电缆编号、模块的槽号。

4）注明终端单元编号、终端单元端口号、信号接入终端单元的通道号、后IO模块编号、IO模块编号和预制电缆编号，同时应标明终端单元、后IO模块、IO模块的型号。如第3槽位的IO模块编号为“*F3SQ”，“*”为机箱编号，槽位编号采用十六进制，故第3槽位编号为3。

3.5.2 开关量输入输出信号

示例如图7。图7中仅列出了通道1～8的信号，其余通道类似表示，这里不再列出。若模块分配的信号未满配，多余的通道直接悬空处理。

图7 开关量输入模块接线原理图示例Fig.7 Schematic diagram of switching value input module

安全级DCS机柜接线原理图的开关量输出模块绘制内容与输入模块类似。示例如图8。

图8 开关量输出模块接线原理图示例Fig.8 Schematic diagram of switching value output module

终端单元根据实际情况还有不供电和供电的区别，供电终端单元与不供电终端单元除脚号和通道号有差异外，其余基本一致，在设计时应注意区分。

3.5.3 信号调理模块

信号调理模块包括模拟量、开关量、热电阻、热电偶4种，与模拟量和开关量输入输出模块不同的是，信号调理模块的输入通道和输出通道同时存在于一个模块上。信号调理模块具体输入输出通道数需要根据具体项目的硬件基线确定。其余设计主要有以下几个要求：

1）调理模块画在图纸中央，后IO模块拆成两部分，接输入信号的部分放调理模块左边，接输出信号的部分放调理模块右边。

2）信号来向和去向均用虚线框表示。

3）输入和输出为同一根半预制电缆。

4）输入信号转接端子为单层保险端子，输出信号转接端子为双层普通端子。

5）同一个信号调理模块接同一个端子排，端子采用统一编号，先编保险端子，再编双层端子。双层端子采用分层编号，下层为“2”层，上层为“1”层，上层为“正”，编号为“*A”，下层为“负”，编号为“*B”，且上层端子为主端子，勾选“主功能”，下层端子为辅助端子，不勾选“主功能”。在“描述”和“功能文本”中均需要填写端子层信息，标注为“上层”或“下层”。

选取的模拟量调理模块为例，示例如图9。

图9 模拟量调理模块接线原理图示例Fig.9 Schematic diagram of analog conditioning module

3.5.4 优先级逻辑选择模块

优先级逻辑选择模块是核安全级仪控系统特有的模块，示例如图10，包含了设备状态反馈通道、优选输入信号通道、优选输出信号通道等。优先级逻辑选择模块的24个通道绘制为同一页，且为确保图纸简洁，未使用的设备通道标为备用中断点。

图10 优先级逻辑选择模块接线原理图示例Fig.10 Schematic diagram of priority logic selection module

4 总结

基于EPLAN的核安全级DCS电气设计已经得到充分的应用，并在实践中证明了其较之传统CAD设计软件的优越性。EPLAN基于其庞大的应用群体和软件受众面在核电仪控领域应用较为广泛，通过结合二次开发等技术手段[5,6]，将进一步提高其自动化与智能化程度，将高效的优势体现得更加明显。在兼顾传统CAD制图软件应用的同时，弥补了CAD在自动化与智能化方面的不足。